MANUEL DES OPÉRATIONS JAUGEAGE A GUÉ AU … · Jaugeage par dilution Toute méthode de détermination du débit dans laquelle le débit est déduit de la détermination du rapport

MANUEL DES OPÉRATIONS

JAUGEAGE A GUÉ AU MOULINET HYDROMÉTRIQUE

Dr Greg Perzyna

Novembre 2016

Dr Greg Perzyna

Dr Greg Perzyna

Préface

La qualité de la conception et de l’implémentation des projets relatifs à l’eau dépend de données fiables sur les débits. Avec la montée en puissance du nombre de projets d’hydroélectricité, d’agriculture, de construction de route, d’approvisionnement en eau et de contrôle des inondations, le besoin de données et d’information sur les débits va rapidement augmenter. Ces données sont essentielles à la fois pour la planification et la conception de ces projets et la gestion efficace des infrastructures et installations futures.

Le degré de fiabilité des informations hydrologiques dépend directement de la qualité des mesures de terrain initiales. Un bon travail de la part de la personne qui réalise ces mesures est crucial pour une estimation précise des débits. Ainsi, l’agent de terrain a une responsabilité primordiale dans le recueil des données de débits de qualité adéquate.

Ce manuel est destiné à être une référence rapide et simple pour les débutants en mesure de débits dans les cours d’eau naturels. Le manuel se focalise sur le jaugeage à gué au moulinet hydrométrique. La méthode est couramment utilisée dans les études préliminaires de sites potentiels pour l’installation de petites ou mini-centrales hydroélectriques. Le sujet de la mesure de débit des cours d’eau est vaste et complexe et ce manuel ne prétend pas l’explorer de manière exhaustive. Il ne faut pas oublier que la théorie ne remplacera jamais l’expérience pratique de terrain.

Le manuel est une publication officieuse et interne du Centre pour les Énergies Renouvelables et l´Efficacité Énergétique de la CEDEAO (CEREEC), qui a été préparée pour servir dans le cadre d’un atelier de formation. Sa distribution est censée être limitée. Il est à noter que le document s’inspire fortement des informations fournies par les ouvrages fondamentaux suivants :

Le “Streamflow measurement” par Reginald W. Herschy, (2009),

L’USGS “Discharge measurements at gauging stations” (2010) par D. Phil Turnipseed et Vernon B. Sauer,

Le “Manual of British Columbia Hydrometric Standards” du Ministère de l’Environnement de Colombie-Britannique - Service Science et Information du Comité des normes relatives à l’information sur les ressources, (2009)

Le “Manual of stream gauging, Volume I Fieldwork” (2010) de l’Organisation Météorologique Mondiale,

L’ISO 748 “ Mesurage du débit des liquides dans les canaux découverts au moyen de moulinets ou de flotteurs ” (2007).

Certaines parties de ce document ont été reprises textuellement à partir de ces ouvrages. Bien qu’ils n’aient pas été spécifiquement mentionnés dans ces cas, les auteurs de ces travaux sont ici dûment reconnus.

Dr Greg Perzyna

Dr Greg Perzyna 1 | P a g e

Sommaire PREFACE ........................................................................................................................................................... 1

1. DEFINITIONS ............................................................................................................................................ 3

2. COURS D’EAU........................................................................................................................................... 6

3. LE CHENAL FLUVIAL ET SES CARACTERISTIQUES ....................................................................................... 8

4. VITESSE DU COURS D’EAU ...................................................................................................................... 12

5. DEBIT DE COURS D’EAU ET METHODES DE MESURE DE DEBIT ............................................................... 14

5.1 METHODES DE MESURE DE DEBIT ................................................................................................................. 14

6. LE JAUGEAGE PAR EXPLORATION DU CHAMP DE VITESSES .................................................................... 16

7. COURANTOMETRES ............................................................................................................................... 19

7.1 PRINCIPAUX TYPES DE COURANTOMETRES MECANIQUES ................................................................................... 19 7.2 ELEMENTS PRINCIPAUX D’UN MOULINET ........................................................................................................ 20 7.3 PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT D’UN MOULINET ............................................................................................ 22 7.4 ENTRETIEN ET VERIFICATION DES MOULINETS ................................................................................................. 23

8. JAUGEAGE A GUE ................................................................................................................................... 24

8.1 CHOIX DE L’EMPLACEMENT DE LA MESURE ..................................................................................................... 24 8.2 MESURE DE LA LARGEUR DE LA SECTION TRANSVERSALE.................................................................................... 26 8.3 DETERMINATION DU NOMBRE ET DE L’ESPACEMENT DES VERTICALES POUR LA MESURE DE VITESSE ET DE PROFONDEUR 27 8.4 MESURE DE LA PROFONDEUR LE LONG D’UNE VERTICALE .................................................................................. 29 8.5 MESURE ET DETERMINATION DE LA VITESSE MOYENNE LE LONG D’UNE VERTICALE ................................................. 31

9. RESUME DE LA PROCEDURE DE TERRAIN POUR LE JAUGEAGE A GUE .................................................... 35

9.1 MESURES SUR LE TERRAIN – PROCEDURE ETAPE PAR ETAPE ............................................................................... 35 9.2 ASTUCES ET CONSEILS ................................................................................................................................ 41 9.3 NOTES DE TERRAIN.................................................................................................................................... 42

10. CALCUL DU DEBIT PAR LA METHODE DES SECTIONS CENTRALES ....................................................... 43

10.1 EXEMPLE DE CALCUL .................................................................................................................................. 44

ANNEXE 1 – BREF APERÇU DES METHODES DE MESURE DE DEBIT ................................................................. 50


Liste des Figures

FIGURE 2-1 CLASSIFICATION DES COURS D’EAU 6 FIGURE 3-1 VUE D’UN CHENAL D’UN COURS D’EAU (VALLÉE PROFONDE) 8 FIGURE 3-2 ÉLÉMENTS DE LA SECTION TRANSVERSALE DU CHENAL 8 FIGURE 3-3 SECTION TRANSVERSALE DU COURS D’EAU – LARGEUR ET PROFONDEUR 9 FIGURE 3-4 AIRE DE LA SECTION TRANSVERSALE DU COURS D’EAU 9 FIGURE 3-5 VARIATION SAISONNIÈRE DES DIMENSIONS DE LA SECTION TRANSVERSALE 10 FIGURE 4-1 EXEMPLES DE COURS D’EAU À FORTE ET FAIBLE PENTES 12 FIGURE 4-2 EXEMPLE DE DISTRIBUTION DE VITESSE DANS UNE SECTION TRANSVERSALE D’UN COURS D’EAU 12 FIGURE 4-3 LE PROFIL TYPE (IDEAL) DE VITESSE LE LONG D’UNE VERTICALE 13 FIGURE 4-4 DIFFÉRENTES FORMES DE COURBE DE DISTRIBUTION DE VITESSE LE LONG D’UNE VERTICALE 13 FIGURE 6-1 . PRINCIPE DU JAUGEAGE PAR EXPLORATION DU CHAMP DE VITESSES 16 FIGURE 6-2 DIVISION DE LA SECTION TRANSVERSALE DU COURS D’EAU EN DES PANNEAUX PLUS PETITS (SOUS-

SECTIONS) 16 FIGURE 6-3 DÉTERMINATION DE L’AIRE DES SOUS-SECTIONS 17 FIGURE 6-4 DÉTERMINATION DE LA VITESSE DANS LA SOUS-SECTION 17 FIGURE 6-5 CALCUL DU DÉBIT DANS UNE SEULE SOUS-SECTION 18 FIGURE 6-6 CALCUL DU DÉBIT TOTAL DANS LA SECTION TRANSVERSALE DU COURS D’EAU 18 FIGURE 7-1 PRINCIPAUX ÉLEMENTS D’UN MOULINET HYDROMÉTRIQUE 20 FIGURE 7-2 ÉLEMENTS D’UN MOULINET – EXPLICATION 21 FIGURE 7-3 HÉLICES DE MOULINET AVEC DES DIAMÈTRES ET DES PAS DIFFÉRENTS 21 FIGURE 7-4 COMPTEUR ÉLECTRONIQUE DE COURANTOMÈTRE 23 FIGURE 8-1 BON EMPLACEMENT POUR LE JAUGEAGE A GUÉ. DETAILS A CONSIDÉRER 24 FIGURE 8-2 EMPLACEMENT DE MESURE À ÉVITER 25 FIGURE 8-3 MESURE DE LA LARGEUR DE LA SECTION TRANSVERSALE 26 FIGURE 8-4 PROCÉDURE DE CALCUL DE LA LARGEUR DE LA SECTION TRANSVERSALE 27 FIGURE 8-5 VERTICALES DE MESURE 27 FIGURE 8-6 MESURE DE LA PROFONDEUR AVEC UNE PERCHE DE JAUGEAGE 29 FIGURE 8-7 MESURE DE LA VITESSE : MÉTHODE EN UN POINT 31 FIGURE 8-8 MESURE DE LA VITESSE : MÉTHODE EN DEUX POINTS 32 FIGURE 8-9 MESURE DE LA VITESSE : MÉTHODE EN TROIS POINTS 32 FIGURE 10-1 SCHÉMA DE PRÉSENTATION DE LA MÉTHODE DES SECTIONS CENTRALES POUR LE CALCUL DE

DÉBIT - EXPLICATION. 48 FIGURE 10-2 SCHÉMA DE RÉFÉRENCE CORRESPONDANT AU CALCUL DE DÉBIT DE L’EXEMPLE PRÉSENTÉ AU

TABLEAU 10–1 (MÉTHODE DES SECTIONS CENTRALES) 49

Liste des Tableaux

TABLEAU 3–1 FORMES DE SECTIONS TRANSVERSALES D’UN COURS D’EAU ........................................................ 10 TABLEAU 3–2 CARACTÉRISTIQUES DU PROFIL EN LONG D’UN COURS D’EAU...................................................... 11 TABLEAU 5–1 L’IMPORTANCE DES DONNÉES DE DÉBITS D’ÉCOULEMENT POUR DIFFÉRENTS USAGES DES EAUX

DE SURFACES ................................................................................................................................................ 14 TABLEAU 8–1 NOMBRE DE VERTICALES PROPOSÉ EN FONCTION DE LA LARGEUR DU COURS D’EAU ................ 28 TABLEAU 8–2 ASPECTS MARQUANTS DES TROIS MÉTHODES DE MESURE DE DÉBITS ......................................... 33 TABLEAU 10–1 EXEMPLE DE CALCUL D’UN JAUGEAGE AU MOULINET BASÉ SUR LA MÉTHODE DES SECTIONS

CENTRALES ................................................................................................................................................... 45


1. Définitions

ADCP Abréviation de profileur acoustique à effet Doppler (Acoustic Doppler Current Profiler). Un instrument qui utilise les signaux acoustiques pour mesurer la vitesse, la profondeur de mesure et la vitesse d’un bateau.

ADV Abréviation de vélocimètres acoustiques à effet Doppler (Acoustic Dopller Velocimeter). Un courantomètre qui utilise les signaux acoustiques pour mesurer la vitesse en un point.

Berge Talus bordant un cours d’eau, plongeant dans l’eau en pente naturelle, aménagée ou artificielle en contact avec l’eau de la rivière : ce sont les « côtés » du chenal. Rigoureusement, elle diffère de la rive qui est l’espace de terre entre le point haut de la berge et la rivière, au-dessus du niveau de l’eau. Cependant, les deux termes sont utilisés indifféremment dans ce manuel.

Bief Portion ou tronçon rectiligne du chenal d’un cours d’eau. La longueur d’un chenal ouvert délimité par deux sections transversales.

Bord de l’eau Le point sur la rive où la surface libre de l’eau rencontre la rive

Chenal ouvert Surface de délimitation longitudinale comprenant le lit et les rives ou côtés entre lesquels s’écoule l’eau à surface libre. Le terme « chenal » signifie généralement la partie profonde d’un cours d’eau ou chemin d’eau, et son sens est normalement clarifié par un terme descriptif, explicite ou implicite, tel que lit mineur, lit principal, chenal artificiel.

Cote ou cote de la surface d’eau

Niveau de la surface libre d’un écoulement, lac ou réservoir par rapport au plan de référence. Ce terme et les termes « hauteur limnimétrique », « niveau de l’eau » sont utilisés indifféremment.

Courantomètre Appareil utilisé pour mesurer la vitesse de l’écoulement en un point.

Cours d’eau Terme générique pour de l’eau s’écoulant dans un chenal ouvert, comprenant entre autres les ruisseaux et les fleuves. Toute masse d’eau naturelle qui s’écoule d’une haute altitude vers une basse altitude dans un chenal avec des rives définies. Rivière, fleuve, ruisseau ou autre cours d’eau naturel (qu’il soit modifié ou non) dans lequel l’eau est contenue ou circule (que ce soit permanemment ou de temps en temps). Il est à noter que le terme anglais « river » n’est pas équivalent à la « rivière » mais peut signifier « fleuve » ou « rivière ». Tous ces termes sont utilisés indifféremment dans ce document.

Débit Volume de liquide (eau) qui traverse une section transversale particulière d’un cours d’eau ou chenal ouvert pendant une unité de temps donnée.

Débit d’écoulement Le débit de l’eau dans les cours d’eau et autres chenaux. La mesure de débit d’écoulement est synonyme de mesure de débit.

Déversoir Ouvrage déversant construit en travers d’un chenal pour mesurer le débit dans le chenal. En fonction de la forme de l’ouverture, le déversoir est dit rectangulaire, trapézoïdal, triangulaire, etc.

Écoulement Le mouvement de l’eau dans un chenal sans qu’il soit fait référence au temps (débit), à la profondeur, etc.

Emplacement de la mesure

Endroit où les observations de l’environnement sont faites ; en particulier, lieu physique où des capteurs sont utilisés pour mesurer les propriétés d’une ou plusieurs caractéristiques de l’environnement (par exemple la profondeur d’un cours d’eau, la vitesse du cours d’eau, etc.)

Essai de rotation du moulinet

Essai au cours duquel on fait tourner le rotor d’un moulinet, soit avec les doigts, soit en soufflant dans la coupelle ou dans l’axe de l’hélice, pour vérifier que sa rotation est libre et régulière.

Exactitude Accord des calculs de mesures individuelles ou d’une quantité calculée avec la valeur exacte ou la valeur vraie.

Flotteur Tout corps naturel ou artificiel qui flotte. Flotteur de surface : flotteur avec le plus


grand entrainement près de la surface, et utilisé pour déterminer les vitesses de surface.

Jaugeage Ensemble des opérations nécessaires à la mesure du débit ou à la détermination du débit d’un cours d’eau. Peut aussi être utilisé pour parler du résultat combiné de la mesure.

Jaugeage par dilution Toute méthode de détermination du débit dans laquelle le débit est déduit de la détermination du rapport de la concentration d’un traceur injecté à la concentration du traceur dans la section transversale de prélèvement.

Jaugeage par exploration du champ des vitesses

Méthode de détermination du débit d’un cours d'eau à partir de l’aire de la section transversale, délimitée par le périmètre mouillé et la surface libre, et l’intégration des composantes de vitesse dans la section transversale.

Largeur de la section transversale

La largeur de la surface de l’eau mesurée dans une section perpendiculaire à la direction principale de l’écoulement et pour un débit donné.

Largeur du cours d’eau La largeur de la surface de l’eau mesurée dans une section perpendiculaire à la direction principale de l’écoulement et pour un débit donné.

Mesure de débit Procédé de mesurage du débit de liquide (eau) dans un cours d’eau ou dans un chenal ouvert.

Mètre cube par seconde

m3/s. Unité de mesure du débit instantané du Système International (SI).

Méthode de mesure de vitesse à points

Méthode de mesure de vitesse le long d’une verticale en plaçant le courantomètre à un nombre de points définis le long de la verticale. Note : la vitesse est habituellement mesurée en un, deux, trois, cinq ou six points le long de la verticale.

Méthode des sections centrales

Technique largement utilisée pour le calcul du débit d’écoulement, la méthode des sections centrales comprend le calcul de débits au niveau de chaque panneau (sous-section) dans la section transversale.

Moulinet hydrométrique à hélices

Moulinet dont le rotor est une hélice tournant autour d’un axe approximativement parallèle à l’écoulement.

Panneau de la section centrale

Aire à une verticale définie par le produit de la profondeur de la verticale par la moyenne des largeurs des deux panneaux adjacents à la verticale.

Pas hydraulique d’une hélice

Degré d’inclinaison ou pente de la lame, ou distance dont avancerait une hélice après un tour.

Perche de jaugeage Tige légère, graduée et tenue à la main pour le sondage en profondeur et le positionnement du moulinet lors de la mesure de la vitesse dans les eaux peu profondes adaptées au passage à gué.

Périmètre mouillé Contour mouillé d’un chenal ouvert à une section spécifique.

Profondeur Distance verticale entre la surface libre de l’eau et le fond de l’eau à n’importe quel point d’une section transversale.

Rive droite Rive à droite de l’observateur regardant l’aval.

Rive, droite ou gauche Portion de terrain bordant un cours d’eau en regardant l’aval. Rigoureusement, elle diffère de la berge mais les deux termes sont utilisés indifféremment dans ce manuel.

Rive gauche Rive à gauche de l’observateur regardant l’aval.

Section Partie de la section transversale pour laquelle la vitesse est mesurée ou non.

Section de jaugeage Section transversale d’un chenal ouvert dans laquelle on mesure les profondeurs ou les vitesses.

Section transversale Section spécifique du cours d’eau qui est perpendiculaire à la direction principale de l’écoulement, délimitée par la surface libre et le périmètre mouillé. La section


transversale de mesure est un plan vertical allant d’un bord de l’eau à l’autre et du fond du cours d’eau à la surface.

Site Endroit où les relevés sont faits ; généralement, emplacement physique où des capteurs sont utilisés pour mesurer les propriétés d’une ou plusieurs caractéristiques de l’environnement (par exemple la profondeur d’un cours d’eau, la vitesse du cours d’eau, etc.). À noter : synonyme de « emplacement de la mesure ».

Sondage L’opération consistant à mesurer la profondeur de la surface au lit.

Transect Une traversée (passage) transversale au cours d’eau d’une rive à l’autre avec un ADCP sur un bateau en mouvement.

Vélocimètre ponctuel (ADV)

Famille d’instruments manuels basés sur des signaux acoustiques et utilisés pour mesurer la vitesse et la profondeur de l’eau lors d’une mesure discrète de débit.

Verticale Ligne verticale dans une section transversale où la mesure de profondeur ou de vitesse est réalisée.

Vitesse moyenne dans une section transversale

Pour une section transversale donnée de l’écoulement, vitesse obtenue en divisant le débit par l’aire de la section.

Vitesse superficielle Vitesse d’un liquide à sa surface en un point donné.


2. Cours d’eau

Un cours d’eau est toute masse d’eau naturelle qui s’écoule d’une altitude élevée vers une basse altitude dans un chenal avec des rives bien définies. Un cours d’eau change de forme, de taille, de configuration de l’écoulement de l’eau, de teneur en sédiments et de couleur, dans le temps (saisonnalité) et l’espace à mesure que l’on va de l’amont vers l’aval.

Pérenne ou permanent (coule toujours) Fleuve / rivière (large – beaucoup d’eau)

Intermittent ou saisonnier (écoulement périodique)

Ruisseau

Éphémère ou épisodique (écoulement seulement pendant et après les averses)

Ru ou ruisselet (très petit)

FIGURE 2-1 CLASSIFICATION DES COURS D’EAU

Les fleuves, les rivières, les ruisseaux et les ruisselets sont tous des noms de l’eau s’écoulant dans des chenaux naturels. Ces termes sont pratiquement interchangeables mais il est généralement admis que les ruisselets sont les plus petits des quatre, les ruisseaux étant au milieu, les rivières et les fleuves étant les plus grands.


Le débit d’un cours d’eau n’est pas constant et varie tout au long de l’année. La distribution saisonnière du débit d’un cours d’eau est étroitement liée au régime de précipitation et d’évaporation de son bassin hydrographique. Chaque cours d’eau présente sa propre distribution de variation de débit selon le mois et la saison. En fonction de la distribution saisonnière des écoulements, on distingue :

Les cours d’eau pérennes ou permanents (coulent toujours). Ces cours d’eau coulent sans interruption bien que le débit varie beaucoup dans le temps,

Les cours d’eau intermittents ou saisonniers (écoulement périodique). L’eau circule dans ces cours d’eau seulement dans certaines périodes de l’année. Beaucoup de cours d’eau dans les régions semi-arides sont intermittents,

Les cours d’eau éphémères ou épisodiques (écoulement rare, seulement pendant et après les averses). Ces cours d’eau sont en réalité les chenaux de ruissellement dans les régions très sèches. Dans ces régions du monde, il y a seulement de faibles quantités de pluies et elles s’évaporent rapidement.

Différents types de cours d’eau en fonction de leur taille et de leur saisonnalité sont présentés à la Figure 2-1.


3. Le chenal fluvial et ses caractéristiques

Tous les cours d’eau s’écoulent dans leurs chenaux. Un fleuve est un cours d’eau qui se jette dans la mer (ou océan) alors qu’une rivière est un cours d’eau qui se jette dans un fleuve ou dans une autre rivière. Dans ce manuel, le terme cours d’eau sera utilisé pour désigner indifféremment fleuve, rivière, ruisseau ou ruisselet. Le chenal d’un cours d’eau est une dépression relativement étroite que parcourt le cours d’eau en s’écoulant vers l’aval. Un cours d’eau est confiné entre les berges.

FIGURE 3-1 VUE D’UN CHENAL D’UN COURS D’EAU (VALLÉE PROFONDE)

Les principales caractéristiques d’un chenal sont :

La section transversale d’un chenal : la section transversale d’un chenal est essentiellement une coupe de ce chenal, faite perpendiculairement à la direction principale de l’écoulement. Les données recueillies à la section droite fournissent des informations sur les dimensions du chenal. La Figure 3-2 présente les principaux composants d’une section transversale d’un chenal.

Le lit du cours d’eau (fond du cours d’eau) : c’est la partie du chenal du cours d’eau en-dessous de la surface de l’eau. Le fond du lit est le sol au fond du cours d’eau - souvent composé de sable et de pierres.

FIGURE 3-2 ÉLÉMENTS DE LA SECTION TRANSVERSALE DU CHENAL


Les rives du cours d’eau sont les parties du chenal du cours d’eau au-dessus du niveau de l’eau ; autrement dit, ce sont les côtés du cours d’eau entre lesquels l’eau coule normalement.

Le bord de l’eau est le point sur la rive du cours d’eau où la surface de l’eau touche la rive.

La section transversale (au moment des prises de mesure) est la partie de la section transversale du cours d’eau délimitée par le périmètre mouillé et la surface libre de l’eau.

FIGURE 3-3 SECTION TRANSVERSALE DU COURS D’EAU – LARGEUR ET PROFONDEUR

Chaque section transversale peut être décrite par un certain nombre de paramètres. Les principaux paramètres sont :

Périmètre mouillé: le périmètre mouillé est défini comme la surface du fond et des côtés du chenal en contact direct avec le cours d’eau. Le périmètre mouillé d’un cours d’eau correspond à la partie du chenal qui est contact avec l’eau

Largeur du cours d’eau: La largeur de la surface de l’eau mesurée dans une section perpendiculaire à la direction principale de l’écoulement et pour un débit donné. L’unité de la mesure d’une largeur est habituellement le mètre (m).

La profondeur du cours d’eau (au moment des prises de mesure) est la distance de la surface de l’eau au fond de l’eau (lit du cours d’eau). La profondeur du cours d’eau naturel changera à l’intérieur de sa section transversale. L’unité de mesure d’une profondeur est le mètre ou le centimètre (m, cm).

L’aire de la section transversale : c’est l’aire de la surface de la section transversale couverte par l’eau dans le chenal du cours d’eau. C’est le produit de la largeur du chenal et de la profondeur moyenne du cours d’eau.

FIGURE 3-4 AIRE DE LA SECTION TRANSVERSALE DU COURS D’EAU


La pente d’un cours d’eau est la variation de sa hauteur par unité de distance horizontale dans la direction de l’écoulement. Elle influence la vitesse du courant. Dans la zone près de la source, un cours d’eau a généralement une pente raide et une grande vitesse.

Le niveau de l’eau des cours d’eau monte et baisse en réponse aux précipitations et aux changements saisonniers. La quantité d’eau s’écoulant à travers une section transversale d’un cours d’eau naturel n’est donc pas constante et varie avec les saisons. De même, les éléments constitutifs de la section transversale (profondeur, largeur, périmètre mouillé et l’aire) varient avec les saisons.

FIGURE 3-5 VARIATION SAISONNIÈRE DES DIMENSIONS DE LA SECTION TRANSVERSALE

Un aspect important d’un chenal de cours d’eau est qu’il « s’auto-façonne » et « s’auto-maintient ». L’eau en écoulement creuse le chenal dans lequel elle circule. L’eau façonne la section transversale, influence la profondeur et la largeur de la section transversale, de même que la configuration de l’aire du chenal et son profil en long. Les Tableau 3–1 et Tableau 3–2 résument les informations essentielles sur les formes de section transversale et du chenal d’un cours d’eau.

TABLEAU 3–1 FORMES DE SECTIONS TRANSVERSALES D’UN COURS D’EAU

Forme en U Type de chenal naturel le plus courant

Boite Habituellement rencontré avec une forte érosion en ravine

Forme en U plat

Boite large

Forme en U approfondi Peuvent être des chenaux naturellement taillés

Forme en V

Elargi ou rempli

Trapézoïdal Chenal artificiel creusé par l’homme

Deux niveaux Chenal de plaine avec un banc

Béton en V Chenal artificiel creusé par l’homme

Multiétagé Chenal de plaine avec plus d’un banc

Caniveau ou conduite

Source: Australian River Assessment System: AusRivAS Physical Assessment Protocol, Report no 22


TABLEAU 3–2 CARACTÉRISTIQUES DU PROFIL EN LONG D’UN COURS D’EAU

Chute Hauteur > 1 m, Pente > 60O

Cascade Hauteur par niveau < 1 m, Pente 5-60O Courants forts

Rapide Pente 3-5O Courants forts, surface de l’eau brisée par des rocs qui affleurent

Radier ou rapide sur haut-fond Pente 1-3O Courants modérés, surface non brisée mais non lisse

Glide Pente 1-3O Petits courants, surface non brisée et lisse

Plat courant Pente 1-3O Courant petit mais distinct et uniforme, surface non brisée

Mouille Zone où le cours d’eau s’élargit et s’approfondit et où le courant diminue

Remous Coupure de méandre de dimension raisonnable (>20% de la largeur du chenal) à partir du chenal

Source: Australian River Assessment System: AusRivAS Physical Assessment Protocol, Report no 22


4. Vitesse du cours d’eau

La vitesse d’un cours d’eau est la rapidité avec laquelle l’eau circule dans son chenal. Couramment, l’unité de mesure de la vitesse est le mètre par seconde (m/s). La vitesse du cours d’eau dépend de la pente de l’écoulement. Ainsi, la vitesse est élevée lorsque la pente du tronçon du cours d’eau est raide ; elle est faible lorsque le bief est relativement plat.

Cours d’eau à pente raide – vitesse rapide Faible (douce) pente – faible vitesse

FIGURE 4-1 EXEMPLES DE COURS D’EAU À FORTE ET FAIBLE PENTES

Distribution des vitesses dans une section transversale du cours d’eau

La vitesse du cours d’eau n’est pas uniforme dans une section transversale du cours d’eau. Elle varie à la fois dans les directions horizontales et verticales. Habituellement, la vitesse est maximale au milieu du cours d’eau près de la surface et est minimale le long du lit et de la berge à cause des frottements. La distribution de la vitesse dans la section transversale dépend des conditions amont et aval du chenal.

FIGURE 4-2 EXEMPLE DE DISTRIBUTION DE VITESSE DANS UNE SECTION TRANSVERSALE D’UN COURS D’EAU

Il faut noter qu’il est impossible de mesurer directement la vitesse moyenne du cours d’eau dans une section transversale. La répartition de la vitesse de l’écoulement dans la section transversale peut être déterminée uniquement en mesurant des vitesses sur des verticales présélectionnées ou dans des cellules sur une profondeur verticale.


La théorie et la modélisation en hydraulique montrent que pour un écoulement non-turbulent, la vitesse varie typiquement de façon parabolique sur la verticale comme présenté à la Figure 4-3. Nous appelons cela le profil type (idéal) de vitesse.

FIGURE 4-3 LE PROFIL TYPE (IDEAL) DE VITESSE LE LONG D’UNE VERTICALE

Des conditions telles que le matériau du lit du cours d’eau, la croissance de mauvaises herbes, de grands blocs rocheux dans la section transversale, la turbulence et d’autres facteurs peuvent modifier la configuration et le profil de vitesse sera en général différent du profil type de vitesse comme illustré à la Figure 4-4.

FIGURE 4-4 DIFFÉRENTES FORMES DE COURBE DE DISTRIBUTION DE VITESSE LE LONG D’UNE VERTICALE

Profil type de vitesse

P

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

DIS

TAN

CE

AU

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VITESSE EN MÈTRES PAR SECONDE (m/s)

SURFACE DU COURS D'EAU

STREAM BOTTOMSTREAM BOTTOMSTREAM BOTTOMLIT DU COURS D'EAU

Direction de l'écoulement


5. Débit de cours d’eau et méthodes de mesure de débit

En Hydrologie, le débit d’un cours d’eau est défini comme le volume d’eau qui traverse une section transversale particulière du cours d’eau par unité de temps (seconde, mois, année). Le débit se mesure dans les unités comme le mètre cube par seconde (m3/s) dans le système international (SI) ou pied cube par seconde (ft3/s ou cfs) dans le système impérial. La grandeur du débit nous renseigne sur la quantité d’eau qui s’écoule dans le cours d’eau à un moment donné.

Les informations sur le débit du cours d’eau sont importantes pour diverses utilisations. Le Tableau 5–1 donne un aperçu de l’importance des données de débits d’écoulement pour différents usages des eaux de surfaces.

TABLEAU 5–1 IMPORTANCE DES DONNÉES DE DÉBITS D’ÉCOULEMENT POUR DIFFÉRENTS USAGES DES EAUX DE SURFACES

USAGE Débit du cours d’eau

Énergie renouvelable – Développement de l’hydroélectricité VITAL

Réservoirs VITAL

Irrigation – eau de surface VITAL

Maîtrise des inondations VITAL

Prévention des inondations VITAL

Approvisionnement en eau à usage industriel VITAL

Maîtrise de la pollution IMPORTANT

Gestion de bassin versant VITAL

Systèmes d’alerte aux inondations IMPORTANT

Systèmes d’alerte à la sécheresse VITAL

Les hydrologues, ingénieurs et autres usagers de l’eau s’intéressent généralement aux caractéristiques suivantes d’un écoulement:

Quelle quantité d’eau s’écoule – données statistiques sur l’écoulement (bas, moyen, grand, minimum, maximum) débit ?

Quand est-ce que le cours d’eau atteint le bas ou le haut débit - saisonnalité (saison d’étiage ou des basses eaux, saison des crues) ?

Pendant combien de temps le débit est supérieur à une valeur donnée (courbe des débits classés) ?

5.1 Méthodes de mesure de débit

Les mesures continues de débit dans une section d’un cours d’eau sont peu pratiques et très couteuses. Il existe cependant différentes méthodes et équipement pour la mesure de débit avec un pas de temps discret (débit instantané). Le choix de la méthode la plus appropriée dépend d’un certain nombre de facteurs dont :

l’ordre de grandeur du débit

la taille du chenal

le type d’écoulement (laminaire, turbulent)

la vitesse de l’écoulement

la précision nécessaire


des considérations relatives à la sécurité

Les services hydrologiques de divers pays réalisent de nombreuses mesures de débits sur leurs territoires chaque année. Les débits mesurés vont de quelques litres par seconde dans les petits ruisseaux à des milliers de mètres-cube par seconde dans les grands fleuves. Les méthodes et les équipements utilisés diffèrent d’un pays à un autre. Actuellement, les méthodes de mesure de débit les plus utilisées sont :

Jaugeage par exploration du champ de vitesses, courantomètres mécaniques (moulinets hydrométriques) – États-Unis d’Amérique, France, Norvège

Jaugeage par exploration du champ de vitesses, Vélocimètres acoustiques à effet Doppler (ADV, pour « Acoustic Doppler Velocimeter ») – États-Unis d’Amérique, France

Jaugeage par profileur acoustique de vitesse par effet Doppler (ADCP pour « Acoustic Doppler Current Profilers »), bateau mobile ou bateau attaché/bouée fixe – États-Unis d’Amérique, France, Norvège

Jaugeage par les techniques de dilution – France, Norvège

Jaugeage au flotteur – Inde, France

Ce manuel couvre une méthode spécifique de mesure de débit et fournit des indications pour la mesure de débit de cours d’eau, de taille petite ou moyenne, par exploration du champ de vitesses à l’aide de moulinets hydrométriques. La méthode est couramment utilisée dans les études préliminaires de sites potentiels pour l’installation de petites ou mini-centrales hydroélectriques.


6. Le jaugeage par exploration du champ de vitesses

La méthode directe et la plus populaire pour la détermination du débit de cours d’eau est le jaugeage par exploration du champ de vitesses. En général, cette méthode détermine le débit à partir du produit de la vitesse moyenne de l’écoulement et de l’aire de la section transversale du chenal.

Débit (Q) = Aire de la section transversale (A) x Vitesse moyenne de l’écoulement dans la section transversale (V)

FIGURE 6-1 . PRINCIPE DU JAUGEAGE PAR EXPLORATION DU CHAMP DE VITESSES

Avec le jaugeage par exploration du champ de vitesses, le débit est calculé comme suit:

𝑄 = 𝑉 ∙ 𝐴 (6.1)

où Q est le débit d’écoulement en m3/s,

V est la vitesse moyenne en m/s, A est l’aire de la section transversale de l’écoulement (perpendiculaire à la principale

direction de l’écoulement) en m2.

La détermination de l’aire de la section transversale, la vitesse moyenne de l’écoulement et le calcul du débit sont réalisés en suivant les étapes suivantes:

ÉTAPE 1: La section transversale est subdivisée en des sous-sections parfois appelées panneaux ou sous-domaines. La plupart des chenaux naturels doivent être subdivisés entre 20 à 30 sous-sections pour correctement tenir compte de leur géométrie.

FIGURE 6-2 DIVISION DE LA SECTION TRANSVERSALE DU COURS D’EAU EN DES PANNEAUX PLUS PETITS (SOUS-SECTIONS)


ÉTAPE 2: L’aire de chaque sous-section est déterminée directement en mesurant la largeur et la profondeur de la sous-section. Lors du jaugeage à gué, les profondeurs sont habituellement mesurées en utilisant des marques ou des graduations sur la perche de jaugeage du courantomètre. Pour mesurer la largeur du cours d’eau, on utilise normalement un mètre ruban ou décamètre tendu au travers de l’eau, au-dessus de la section transversale de mesure.

FIGURE 6-3 DÉTERMINATION DE L’AIRE DES SOUS-SECTIONS

ÉTAPE 3: La vitesse dans chaque sous-section est évaluée en utilisant un instrument et une méthode adaptés. Pour le jaugeage gué, on utilise le plus souvent un moulinet hydrométrique ou un vélocimètre acoustique à effet Doppler (ADV).

FIGURE 6-4 DÉTERMINATION DE LA VITESSE DANS LA SOUS-SECTION

ÉTAPE 4: Le débit de chaque sous-section est calculé en multipliant l’aire de la sous-section (Ai) par la vitesse moyenne dans la sous-section :

𝑞𝑖 = 𝑣𝑖 ∙ 𝐴𝑖 (6.2)

où qi est le débit d’écoulement à travers la sous-section i,

vi est la vitesse moyenne dans la sous-section i,

Ai est l’aire de la section transversale de la sous-section.


FIGURE 6-5 CALCUL DU DÉBIT DANS UNE SEULE SOUS-SECTION

ÉTAPE 5: Le débit total de l’écoulement (débit dans la section transversale) est alors obtenu en additionnant les débits partiels de toutes les sous-sections. Le débit à travers toute la section transversale est alors:

𝑄 = 𝑞1 + 𝑞2 + 𝑞3 + ⋯ + 𝑞𝑛 (6.3)

où Q est le débit total à travers la section transversale de mesure,

q1, q2,,…, qn est le débit partiel d’écoulement des sous-sections 1 (première),2 ,3,…, n (dernière)

FIGURE 6-6 CALCUL DU DÉBIT TOTAL DANS LA SECTION TRANSVERSALE DU COURS D’EAU

Rappel : Selon le jaugeage par exploration du champ de vitesses, le débit du cours d’eau est la somme des débits de toutes les sous-sections.


7. Courantomètres

Les courantomètres sont les appareils les plus utilisés pour la mesure de la vitesse d’un écoulement. Ce sont des instruments de précision qui permettent de mesurer la vitesse de l’écoulement en un point. Les trois types de courantomètres modernes les plus utilisés sont les courantomètres mécaniques, les courantomètres acoustiques et les courantomètres électromagnétiques:

Courantomètres mécaniques (moulinets hydrométriques)

Le principe de fonctionnement d’un moulinet hydrométrique est basé sur la proportionnalité entre la vitesse de l’eau et la vitesse angulaire de son hélice (vitesse de rotation de l’hélice).

La vitesse en un point sur la verticale de mesure est obtenue en comptant sur une durée prédéterminée le nombre de tours de l’hélice du moulinet monté sur une perche de jaugeage. La vitesse de l’eau en ce point est alors calculée en utilisant l’équation d’étalonnage de l’hélice ou la courbe d’étalonnage de l’hélice.

Vélocimètres acoustiques à effet Doppler (vélocimètres ADV)

Le courantomètre acoustique utilise l’effet Doppler pour déterminer la vitesse. Il envoie une onde continue de son à une fréquence connue dans l’écoulement. Lorsque ce son est réfléchi par une particule en mouvement dans l’écoulement (matériau en suspension), l’écho retourne au capteur à une fréquence différente. Les signaux renvoyés sont analysés et traités pour obtenir la vitesse de l’écoulement.

Plusieurs courantomètres acoustiques peuvent être montés sur la perche de jaugeage classique pour mesurer la vitesse en un point de manière similaire à la mesure avec un moulinet hydrométrique.

Courantomètre électromagnétique

Le principe de fonctionnement des courantomètres électromagnétiques est basé sur la loi d’induction électromagnétique de Faraday. Selon cette loi, un conducteur (eau) qui passe dans un champ magnétique produit une tension qui est linéairement proportionnelle à la vitesse du cours d’eau.

Comme avec les courantomètres standards, le capteur est promené dans la section transversale en utilisant une perche de jaugeage.

7.1 Principaux types de courantomètres mécaniques

Tous les courantomètres mécaniques ont une pièce tournante (rotor). Les courantomètres à éléments tournants peuvent être répartis en deux principaux groupes :

1. Les moulinets à axe vertical connus sous le nom de moulinets à coupelles

2. Les moulinets à axe horizontal connus sous le nom de moulinets à hélice


Moulinet hydrométrique à coupelles, à axe vertical

Le moulinet à coupelles a un rotor tournant autour d’un axe vertical. Ce rotor est généralement constitué de six coupelles fixées à des angles égaux sur un anneau circulaire monté sur un axe.

Le moulinet à hélice est plus souvent utilisé aux Etats-Unis et en Inde.

Les coupelles des moulinets à axe vertical sont en acier inoxydable, laiton ou bronze.

Il a été indiqué que les moulinets à coupelles fonctionnent à des vitesses légèrement plus faibles que les moulinets à hélice.

Les coupelles et axes sont toutefois plus susceptibles d'être endommagés par des débris flottants que les moulinets à hélice.

Un seul rotor est utilisé pour toute la gamme de vitesses.

Moulinet hydrométrique à hélices, à axe horizontal

Le moulinet à hélice a un rotor tournant autour d’un axe horizontal. Le rotor est une hélice tournante. La majorité des moulinets à axe horizontal sont livrés avec un ensemble d’hélices permettant de couvrir différentes gammes de vitesse d’eau.

Les moulinets à hélice sont plus souvent utilisés en Europe et en Australie.

Les hélices des moulinets à axe horizontal sont en acier inoxydable ou en plastique.

Les moulinets à hélice perturbent moins l’écoulement que les moulinets à coupelles.

Lorsqu’ils sont suspendus à un câble lors de leur utilisation, les moulinets à hélice sont plus stables que les moulinets à coupelles.

7.2 Eléments principaux d’un moulinet

La Figure 7-1 présente les principaux composants d’un moulinet pour jaugeage à gué. Une description plus détaillée des différents éléments du moulinet est donnée à la Figure 7-2 et dans le texte suivant.

FIGURE 7-1 PRINCIPAUX ÉLEMENTS D’UN MOULINET HYDROMÉTRIQUE Source: Basé sur une figure de OTT Hydromet, Brochure OTT C31 Moulinet universel


FIGURE 7-2 ÉLEMENTS D’UN MOULINET – EXPLICATION Source: SEBA Hydrometrie, Brochure systèmes de mesure de débit mobiles, Mini moulinet M1 sur perche de 20 mm de diamètre et dispositif de relevage.

Hélices

Les hélices des moulinets peuvent être en aluminium anodisé, laiton ou plastique résistant aux chocs. Les hélices peuvent avoir des diamètres et des pas différents. Les diamètres courants d’hélice vont de 25 mm à 125 mm tandis que les pas peuvent aller de 50 mm à 1000 mm. Le pas hydraulique de l’hélice correspond à la distance parcourue par une particule d’eau après un tour d’hélice. La gamme de vitesse que peut mesurer une hélice donnée dépend de son diamètre et de son pas.

FIGURE 7-3 HÉLICES DE MOULINET AVEC DES DIAMÈTRES ET DES PAS DIFFÉRENTS Source: SEBA Hydrometrie, Brochure systèmes de mesure de débit mobiles, Mini moulinet M1 sur perche de 20 mm de diamètre et dispositif de relevage


Perche de jaugeage

La perche est une tige en acier, graduée linéairement en centimètres ou en décimètres. À l’extrémité inférieure de la tige, on trouve normalement une semelle ou butée de fond pour empêcher la perche de s’enfoncer dans le lit du cours d’eau. Habituellement, la perche est faite en trois ou quatre parties qui doivent être jointes ensemble. Le corps du moulinet est monté sur la perche. Durant le jaugeage à gué, la perche est utilisée pour sonder la profondeur du cours d’eau.

7.3 Principe de fonctionnement d’un moulinet

L’écoulement entraine une rotation de l’hélice du moulinet. Un aimant relié à l’hélice du moulinet envoie un signal (impulsion) – un signal par tour – à travers un interrupteur à lames souples étanche. Le nombre d’impulsions (tours d’hélice) est proportionnel à la vitesse de l’eau au point de mesure. La série d’impulsions est enregistrée par le compteur connecté.

Le nombre de tours, mesuré pendant un certain temps (temps d’exposition) permet de déterminer la vitesse, en suivant la formule de tarage (équation d’étalonnage) de l’hélice:

ν = k · n + C

avec k pas hydraulique de l’hélice du moulinet (angle d’attaque des pales de l’hélice) [m] qui est déterminée par des essais de trainage réalisés en canal d’étalonnage

n nombre de tours de l’hélice par seconde [1/s], C constante d’hélice [m/s] qui est déterminée par des essais de trainage réalisés en

canal d'étalonnage.

Rappel : plus l’hélice fait de tours pendant un temps donné, plus la vitesse de l’eau est élevée.

Compteurs du nombre de tours d’hélice

Le compteur du nombre de tours d’hélice peut être un appareil de comptage électromécanique ou électronique. Le compteur le plus simple fait un bip sonore à chaque tour. L’opérateur compte le nombre de bips en écoutant à travers un casque (écouteur). Le temps est mesuré concomitamment avec un chronomètre. Il est recommandé d’arrêter l’utilisation de ce type de compteur car les erreurs de décompte des bips par l’opérateur est une source fréquente d’erreur.

Les systèmes de courantomètres plus avancés comportent un compteur numérique. Certains compteurs enregistrent uniquement les tours et montrent les résultats sur un écran LCD. Pour ce type de compteur, un chronomètre séparé est nécessaire. Lorsqu’un compteur simple est utilisé, il est indispensable de synchroniser le comptage et le chronométrage.

Des compteurs plus sophistiqués ont des chronomètres intégrés de sorte qu’ils enregistrent le nombre de tours pour un temps d’exposition prédéfini. Ces chronomètres intégrés permettent de


prédéfinir le temps d’exposition approprié, par exemple 60 s. Certains appareils ont également une autre fonction permettant de prédéfinir le nombre d’impulsions et d’enregistrer le temps.

Les systèmes de courantomètres les plus avancés convertissent directement les tours en vitesse qui est affichée à l’écran. Certains stockent les minimum/maximum (la plus petite et la plus grande valeur) des lectures de vitesses en mémoire. Certains modèles de compteurs sont de véritables enregistreurs de données qui gardent les données en mémoire pour les télécharger sur un ordinateur grâce à une sortie RS-232.

La Figure 7-4 montre le compteur électronique Seba Z6. Ce compteur enregistre le nombre de tours d’hélices pour un temps d’exposition prédéfini.

Les compteurs de tours et les chronomètres doivent être régulièrement vérifiés et contrôlés. S’ils n’enregistrent pas le nombre correct de tours, ils doivent être retirés pour être réparés.

FIGURE 7-4 COMPTEUR ÉLECTRONIQUE DE COURANTOMÈTRE

7.4 Entretien et vérification des moulinets

Les courantomètres sont des équipements scientifiques. Ils doivent être manipulés avec précaution, utilisés et entretenus selon les instructions du fabricant. Après les mesures, les moulinets doivent être conservés en sécurité dans leur boite de transport.

Il faut faire attention pour ne pas endommager l’hélice ou son axe. Lorsque cela arrive, l’hélice et son axe devraient être remplacés et le moulinet calibré de nouveau. Pour les moulinets ayant des paliers à huile, le lubrifiant devrait être changé au moins après chaque journée de jaugeage.

Un essai de rotation du moulinet doit être effectué chaque jour avant l’utilisation de l’hélice. On doit faire tourner l’hélice en soufflant le long de son axe. Il faut faire tourner en continu l’hélice du moulinet pendant au moins 20-30 secondes.

Ce n’est pas une bonne idée de faire tourner l’hélice (en particulier les plus petites) avec des doigts puisque ceci peut endommager l’axe du moulinet.


8. Jaugeage à gué

Le jaugeage à gué au moulinet est une méthode privilégiée de mesure de débit de cours d’eau lorsque les conditions le permettent. Le jaugeage à gué avec un moulinet est normalement plus précis que les mesures faites avec les moulinets suspendus à des câbles où à partir d’un pont. Lors d’un jaugeage à gué, on a plus de marge de manœuvre quant au choix de la section transversale de jaugeage, la sélection des verticales et les profondeurs de mesure. Cette partie du manuel porte sur les sujets suivants:

1. Choix de l’emplacement de la mesure

2. Mesure de la largeur de la section transversale

3. Détermination du nombre et de l’espacement des verticales pour la mesure de vitesse et de profondeur

4. Mesure de profondeur à la verticale

5. Mesure et détermination de la vitesse moyenne le long de la verticale

8.1 Choix de l’emplacement de la mesure

Le choix de l’emplacement de la mesure est une étape cruciale de la procédure de mesure de débit du cours d’eau qui va avoir un impact important sur la qualité des mesures. On choisit la section transversale pour le jaugeage en tenant compte des conditions d’écoulement du jour du jaugeage. La section transversale peut différer d’une séance de mesure à la suivante. Lorsqu’on jauge au niveau d’une station hydrométrique, l’emplacement peut être à plusieurs centaines de mètres en amont ou en aval du limnimètre, pourvu qu’il n’y ait pas un bras apportant ou emportant de l’eau dans le bief entre l’emplacement de la mesure et la station hydrométrique.

FIGURE 8-1 BON EMPLACEMENT POUR LE JAUGEAGE A GUÉ. DETAILS A CONSIDÉRER

Un bon emplacement (section transversale) pour le jaugeage à gué doit, autant que possible, présenter les caractéristiques suivantes:

Avoir un bief raisonnablement rectiligne. Lorsque la longueur du bief est limitée, la distance en amont de la section transversale doit être au moins le double de la distance en aval


L’écoulement dans la section transversale doit être laminaire (c’est-à-dire sans tourbillon, remous, vortex, reflux (courant inverse) ni zone morte).

La section transversale doit être uniforme, stable et éloignée de gros rochers, herbes, arbres submergés, ou tout obstacle qui pourrait créer de la turbulence ou interférer avec le moulinet.

La section transversale devrait être plutôt plat avec un fond et une forme du type « U »

La section transversale doit avoir une profondeur d’eau suffisante pour assurer une immersion effective du moulinet (normalement plus de 0,1 m) et ne doit pas être plus profond que 1,2 m,

La direction de l’écoulement doit être perpendiculaire à la section transversale pour toutes les verticales

La section transversale doit avoir un fond et des bords ou limites stables pendant la campagne de mesures, et être accessible à tout moment avec les équipements de mesure.

Lorsque cela est possible, on doit éviter les endroits présentant l’une ou l’ensemble des caractéristiques suivantes :

Sections transversales immédiatement en aval des courbures nettes ou d’obstacles

Biefs avec un écoulement turbulent,

Biefs avec des changements brusques de largeur de l’écoulement ou à côté des confluences (écoulements convergents/divergents ou courants apportant latéralement de l’eau),

Sections transversales à côté de pompes, écluses ou émissaires, qu’ils soient en amont ou en aval,

Ne pas placer une section transversale dans une mare ou un étang.

FIGURE 8-2 EMPLACEMENT DE MESURE À ÉVITER

En général, il n’est pas possible de satisfaire toutes ces conditions. Le meilleur emplacement disponible devrait être choisi ou modifié pour avoir des conditions acceptables pour la campagne de mesure.


L’accès à l’emplacement du jaugeage doit être assuré et sûr (sécurité) pendant toute la campagne de mesure. Un accord avec d’éventuels propriétaires terriens dont les terres doivent être traversées pour accéder au site est conseillé.

La sécurité d’abord

Le danger d’un travail dans l’eau en écoulement ne peut jamais être sous-estimé. L’expérience montre que la sécurité dans le cadre du jaugeage est plutôt bonne mais il y a eu des accidents mortels. Ces accidents auraient pu être évités avec des dispositions de sécurité appropriées. Avant toute mesure, il faut essayer de traverser à pied le cours d’eau en utilisant une tige en bois pour l’équilibre (exceptionnellement on peut utiliser la perche de jaugeage sans le moulinet monté) et essayer de vérifier :

Si le fond du chenal est libre de trous profonds, rochers anguleux, troncs tombés, etc. qui peuvent coincer les pieds, causer des blessures ou chutes.

Si le courant n’est pas trop profond. Ne pas essayer de passer à gué dans un cours d’eau plus profond que 1,2 m.

Si on réalise que l’écoulement ou sa vitesse est trop grande et qu’il y a des difficultés à rester stable alors il faut retourner sur la rive la plus proche et essayer de localiser une autre section transversale

Ne pas jauger s’il y a des chances qu’il y ait une tornade.

Un équipement de flottaison (gilet de sauvetage) doit toujours être porté, à moins que le cours d’eau ne soit très peu profond.

8.2 Mesure de la largeur de la section transversale

La largeur du cours d’eau est la largeur de la section d’écoulement au niveau de la surface libre de l’eau au moment de la mesure. Pour mesurer la largeur du cours d’eau, on doit:

1. Tendre un mètre ruban ou décamètre en travers du cours d’eau à la section transversale choisie et le sécuriser en utilisant des tiges sur la rive, des piquets ou la végétation. Le mètre ruban doit être perpendiculairement à l’écoulement (pas nécessairement perpendiculairement à tout le chenal) et à environ 0,3 m au-dessus de la surface de l’eau. S’assurer que le mètre ruban est bien tendu et à niveau (horizontal) et ne touche pas l’eau.

FIGURE 8-3 MESURE DE LA LARGEUR DE LA SECTION TRANSVERSALE

2. Lire les valeurs sur le mètre ruban correspondant à la position de départ et de fin du bord de l’eau.


FIGURE 8-4 PROCÉDURE DE CALCUL DE LA LARGEUR DE LA SECTION TRANSVERSALE

3. Calculer la largeur totale de la surface d’eau (largeur au miroir) en soustrayant la lecture au bord d’eau de départ de la lecture au bord d’eau de fin.

4. Écrire le résultat.

On entend par bord d’eau de départ dans la section transversale, le bord avec la plus petite distance lue sur le mètre ruban.

8.3 Détermination du nombre et de l’espacement des verticales pour la mesure de vitesse et de profondeur

Pour décrire exactement la forme du lit du cours d’eau (profondeurs) et les vitesses horizontales et verticales dans le cours d’eau, il faudrait un nombre infini de verticales. Pour des raisons pratiques, la profondeur et la vitesse du cours d’eau sont mesurées sur un nombre fini de verticales. L’espacement des verticales et leur nombre sont cruciaux pour une mesure précise des débits. Pour ces raisons, on utilise normalement entre 20 à 30 verticales. Cette pratique s’applique aux cours d’eau de toutes les largeurs, excepté dans les cas où le chenal est très étroit au point qu’il ne serait pas réaliste d’envisager 20 à 30 verticales.

FIGURE 8-5 VERTICALES DE MESURE

Cours d’eau de largeur supérieure à 10 m (l > 10 m).

En général, il doit y avoir au moins 20 verticales à travers le cours d’eau. Si la largeur du cours d’eau est supérieure à 10 m, on recommande:

D’utiliser un minimum de 20 (de préférence 25) verticales

La distance entre les verticales ne doit pas dépasser

1/15 de la largeur totale du cours d’eau si le profil du lit est régulier,


1/20 de la largeur totale du cours d’eau si le profil du lit est irrégulier,

Le débit dans aucune sous-section ne doit dépasser 10% du débit total (de préférence moins de 5%).

Il faut noter qu’il a été démontré que, indépendamment de la largeur de l’écoulement, l’utilisation de plus de 30 verticales de mesures n’améliorera pas beaucoup la précision globale des mesures.

Cours d’eau de largeur inférieure à 10 m (l< 10 m).

Pour les petits cours d’eau de moins de 10 m de large, on peut utiliser en première estimation the critères suivants :

TABLEAU 8–1 NOMBRE DE VERTICALES PROPOSÉ EN FONCTION DE LA LARGEUR DU COURS D’EAU

Largeur du chenal l (m) Nombre de verticales

0 < l < 0,5 3 à 4

0,5 ≤ l <1 4 à 5

1 ≤ l < 3 5 à 8

3 ≤ l < 5 8 à 10

5 ≤ l < 10 10 à 20

l ≥ 10 20

Le nombre de verticales (colonne 2, dans le Tableau 8–1) ne prend pas en compte deux verticales supplémentaires nécessaires, l’un près de chacun des deux bords de l’eau (berges).

On peut utiliser moins de verticales si le courant est relativement uniforme en profondeur et en vitesse ou s’il est très étroit. Dans les très petits courants avec un micro-moulinet, on peut utiliser un espacement de 0,25 m ou 0,125 m même si cela résulte en seulement cinq ou dix verticales de mesure.

Position de la première et de la dernière verticales

Dans les écoulements naturels, la profondeur et la vitesse au bord de l’eau (0 m) sont normalement nulles mais dans les canaux artificiels à parois latérales verticales, la vitesse et la profondeur peuvent être non nulles. Dans les deux cas, il n’est pas possible d’utiliser le moulinet au bord de l’eau. Ainsi, lors du jaugeage, la première et la dernière verticale doivent être positionnées le plus près possible du bord de l’eau. Les deux sous-sections aux bords seront alors très petites par rapport à l’ensemble des mesures de sorte qu’une estimation du débit dans ces sous-sections engendrerait, si c’est le cas, une erreur très petite.

Rappel : la première et la dernière verticales doivent être autant que possible proches des bords de l’eau dans la section transversale (positions où les mesures de profondeur et de vitesse sont techniquement possibles).

Espacement équidistant ou inégal des verticales ?

Les verticales de mesure peuvent être régulièrement espacées si le lit du cours d’eau est uniforme. Par contre, dans les cours d’eau avec un écoulement non-homogène ou un chenal dont la structure est irrégulière (par exemple les zones d’étangs et d’eaux peu profondes), l’échantillonnage des points doit être fait de manière judicieuse pour être le plus représentatif possible de l’écoulement. Les


verticales doivent donc être plus serrées dans les zones où l’écoulement est plus rapide ou plus profond.

Les verticales doivent être resserrées partout où il y a une variation importante de la profondeur ou de la vitesse dans la section transversale. Se rappeler que le débit dans aucune sous-section ne doit dépasser 10% du débit total (de préférence moins de 5%).

8.4 Mesure de la profondeur le long d’une verticale

Les profondeurs sont habituellement mesurées en utilisant des graduations sur une perche de jaugeage. Pour mesurer la profondeur du cours d’eau à la verticale, il faut:

1. Trouver la position de la verticale sur le mètre ruban tendu en travers de la section transversale du cours d’eau.

2. Positionner le pied de la perche sur le lit du cours d’eau et maintenir la perche verticale. Le pied de la perche doit être aussi plat que possible sur le fond du cours d’eau.

3. Marquer la surface de l’eau sur la perche avec le doigt.

4. Lire le niveau de l’eau à partir du point marqué sur la perche. Il faut estimer la profondeur lorsque la vitesse de l’eau engendre des perturbations sur la perche.

5. Communiquer la profondeur mesurée au chargé d’enregistrement des données (preneur de notes) qui est sur la rive.

Les mesures de profondeur doivent être faites avec une précision de ± 5 mm (0,5 cm) pour les profondeurs < 0,3 m, ou ± 10 mm (1 cm) pour les profondeurs > 0,3 m.

FIGURE 8-6 MESURE DE LA PROFONDEUR AVEC UNE PERCHE DE JAUGEAGE

Il est souhaitable de faire au moins deux lectures à chaque verticale. Si les lectures faites à deux verticales diffèrent de moins de 5%, leur valeur moyenne doit être adoptée. Si les lectures faites sur la même verticale diffèrent de plus de 5%, on fera deux mesures supplémentaires et on retiendra la valeur moyenne des quatre mesures.


Les incertitudes sur les lectures de profondeurs sont le plus souvent dues à la pénétration du lit par la perche de jaugeage. Dans les cours d’eau à lit sablonneux ou avec des saletés molles, il est parfois difficile d’empêcher que la perche de jaugeage ne s’enfonce dans le lit du cours d’eau.

Il faut mesurer les profondeurs à toutes les verticales auxquelles les vitesses sont mesurées c’est-à-dire que le nombre de verticales auxquelles la profondeur est mesurée doit être égal au nombre de verticales auxquelles la vitesse est mesurée.


8.5 Mesure et détermination de la vitesse moyenne le long d’une verticale

Les moulinets hydrométriques permettent de mesurer la vitesse d’un écoulement d’eau en un point. La mesure du débit d’un cours d’eau nécessite la détermination de la vitesse moyenne à chaque verticale à travers la section de jaugeage. Si l’écoulement dans le cours d’eau n’est pas turbulent, on peut supposer que le profil vertical des vitesses est proche de la forme type “idéal” (voir Chapitre 4).

Plusieurs méthodes sont utilisées pour déterminer la vitesse moyenne sur une verticale et le choix d’une méthode dépend d’abord de la profondeur de la verticale mais aussi de la largeur du cours d’eau et de la précision requise.

La vitesse moyenne sur une verticale est normalement obtenue en mesurant la vitesse en un, deux ou trois points et en appliquant ensuite la bonne procédure pour le calcul de la moyenne. Ces méthodes permettent une estimation fiable de la vitesse moyenne si la distribution de la vitesse le long de la verticale est régulière et proche de celle du profil type de vitesse.

Méthode en un point

Les relevés de la vitesse sont effectués sur chaque verticale en un point en positionnant le moulinet à 0,6 fois la profondeur au-dessous de la surface de l’eau (Figure 8-7). La valeur relevée est considérée comme la vitesse moyenne sur cette verticale. Cette méthode est généralement utilisée dans les cours d’eau peu profonds et lorsque la profondeur de l’eau est inférieure à 1 m.

FIGURE 8-7 MESURE DE LA VITESSE : MÉTHODE EN UN POINT

La méthode en un point est la moins précise, et si la profondeur est suffisante, il vaut mieux utiliser deux points sur la verticale. Cependant, il est souvent nécessaire d’utiliser cette méthode à cause des limitations en profondeur.

Méthode en deux points

Les relevés de la vitesse sont effectués en positionnant le moulinet à 0,2 et 0,6 fois la profondeur au-dessous de la surface de l’eau. La valeur de la vitesse moyenne est la moyenne arithmétique des

0,6P

P

0%

10%

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LIT DU COURS D'EAU



deux relevés. On utilise généralement cette méthode lorsque la profondeur du cours d’eau dépasse 1 m (Figure 8-8).

FIGURE 8-8 MESURE DE LA VITESSE : MÉTHODE EN DEUX POINTS

Cette méthode est largement recommandée comme la norme minimale lorsque la profondeur le permet.

Méthode en trois points

Les relevés de la vitesse sont effectués en positionnant le moulinet à 0,2, 0,6 et 0,8 fois la profondeur au-dessous de la surface de l’eau. La vitesse moyenne est obtenue en calculant d’abord la moyenne des observations à 0,2 et 0,8 puis en faisant la moyenne du résultat obtenu avec la mesure à 0,6 (Figure 8-9). Habituellement, la méthode en trois points est utilisée lorsque la vitesse le long de la verticale varie beaucoup et diffère du profil type des vitesses.

FIGURE 8-9 MESURE DE LA VITESSE : MÉTHODE EN TROIS POINTS

P0,2P

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LIT DU COURS D'EAU



Habituellement, la méthode en trois points est utilisée lorsqu’on recherche plus d’informations sur la distribution de la vitesse le long de la verticale où lorsqu’il y a un doute sur la régularité du profil des vitesses.

TABLEAU 8–2 ASPECTS MARQUANTS DES TROIS MÉTHODES DE MESURE DE DÉBITS

Méthode de mesure Calcul de la vitesse moyenne sur une

verticale Limites de la

profondeur de l’eau

Un point 𝑉𝑚𝑜𝑦𝑒𝑛𝑛𝑒 = 𝑉0,6𝑃 0,1 m – 1,0 m

Deux points 𝑉𝑚𝑜𝑦𝑒𝑛𝑛𝑒 = 𝑉0,2𝑃 + 𝑉0,8𝑃

2 > 1,0 m

Trois points 𝑉𝑚𝑜𝑦𝑒𝑛𝑛𝑒 = 𝑉0,2𝑃 + 2𝑉0,6𝑃 + 𝑉0,8𝑃

4 > 1,0 m

Nota bene : certaines sources indiquent une profondeur de 0,75 m comme limite pour la méthode en un point.

En règle générale:

On utilise la méthode en un point pour les profondeurs de moins de 1,0 m

On utilise la méthode en deux points pour les profondeurs de plus de 1,0 m

Les méthodes en un point et en deux points sont généralement utilisées pour les mesures de routine et donnent des résultats acceptables.

Pour augmenter la précision de la mesure, il vaut mieux augmenter le nombre de verticales que d’essayer de mesurer plus de points sur la verticale.

Temps d’exposition du moulinet hydrométrique

Le temps pendant lequel le nombre de tours d’hélice est compté (la vitesse en un point de la verticale est mesurée) est appelé temps d’exposition. Le choix du temps d’exposition dépendra des caractéristiques physiques de la section transversale du cours d’eau à jauger. Cependant, il est important de choisir un temps d’exposition suffisant pour minimiser les erreurs dues aux vibrations. En général, on recommande d’utiliser un temps d’exposition d’au moins 40 secondes. Il est à noter que lorsque les vitesses sont très faibles et qu’il y a moins de 20 tours en 60 secondes, le temps d’exposition devrait être portée à 100 secondes.

Nota bene : La norme ISO 748 fixe le temps d’exposition minimale à 30 secondes. En Europe et aux États-Unis d’Amérique, le minimum normalisé est de 40 secondes.

Procédure de terrain pour la mesure de la vitesse le long d’une verticale

Le but est de déterminer la vitesse moyenne le long de la verticale. Pour mesurer la vitesse, procéder comme suit:

1. Trouver la position de la verticale sur le mètre ruban tendu au-dessus du cours d’eau en travers de la section transversale,

2. Mesurer la profondeur de la verticale,


3. Choisir la méthode – en un point (0,6P) ou deux points (0,2P et 0,8P). Suivre les indications du Tableau 8.1.

4. Calculer la ou les positions du moulinet hydrométrique,

5. Déplacer le moulinet le long de la perche pour avoir la position souhaitée,

6. Se mettre à côté et à l’aval de la perche, maintenir la perche verticale pendant toute la mesure avec le moulinet parallèle à la direction de l’écoulement,

7. Lorsque l’instrument est en place, permettre à l’hélice de s’ajuster à la vitesse de l’écoulement avant de commencer à compter le nombre de tours de l’hélice,

8. Démarrer le compteur (commencer le comptage du nombre de tours),

9. Communiquer le nombre de tours à la personne qui est sur la rive,

10. Si on utilise la méthode en deux points, déplacer le moulinet à la seconde position sur la verticale (le long de la perche) et répéter la procédure.

Avant de démarrer le compteur, se rappeler de permettre à l’hélice de s’ajuster à la vitesse de l’écoulement.

Se rappeler que le moulinet ne fournit pas directement la vitesse au point de mesure mais compte le nombre de tours effectués par l’hélice en ce point. Afin de calculer la vitesse en ce point, il faut utiliser l’équation d’étalonnage spécifique du moulinet et de l’hélice. Suivre les indications du Paragraphe 7.3.


9. Résumé de la procédure de terrain pour le jaugeage à gué

Le jaugeage à gué est la plus simple, habituellement la moins couteuse et la plus rapide des méthodes de jaugeage. Dans les cours d’eau peu profonds, il peut habituellement être mis en œuvre par une seule personne. En plus, dans beaucoup de cas, il donne les résultats les plus fiables.

9.1 Mesures sur le terrain – Procédure étape par étape

1. Choisir l’emplacement de la mesure. Suivre les indications au Paragraphe 8.1.

2. Contrôler visuellement la perche de jaugeage, le moulinet et le compteur. Réparer les dommages aux équipements et remplacer les batteries des compteurs si nécessaires.

3. Effectuer un essai de rotation du moulinet choisi. Il faut faire tourner en continu l’hélice du moulinet pendant au moins 20-30 secondes

4. Monter le moulinet sur la perche de jaugeage et connecter le compteur. Vérifier la connexion électrique entre le moulinet et le compteur en faisant tourner l’hélice sur le moulinet et en observant les lectures du compteur.


5. Faire une traversée préliminaire de la section transversale avant d’attacher le mètre ruban. Utiliser la perche de jaugeage comme appui lors de la traversée du cours d’eau. Tourner la perche de sorte que le moulinet soit sur le bout supérieur ou retirer le moulinet de la perche pour éviter de l’endommager. Essayer d’avoir une impression globale sur les profondeurs et les vitesses lors du passage à gué. C’est aussi le bon moment pour identifier d’éventuels rochers ou débris qui pourraient être retirés du chenal afin d’améliorer la section transversale de mesure.

6. Attacher fermement le mètre ruban sur une des deux rives. Traverser le cours d’eau en déroulant le mètre ruban perpendiculairement à la direction de l’écoulement. Attacher le mètre ruban à la seconde rive. On peut utiliser des troncs de bois ou souches sur chaque rive pour attacher le mètre ruban de sorte qu’il soit tendu en travers de l’écoulement, au-dessus de l’eau. Réserver au moins 0,3 m entre la surface de l’eau et le mètre à mesurer. Suivre les indications données au Paragraphe 8.2.

7. Noter la largeur du cours d’eau. Suivre les indications données au Paragraphe 8.2. Communiquer la largeur mesurée au preneur de notes qui est à la rive.

8. Déterminer le nombre de panneaux de mesures de débit (espacement des verticales). Suivre les indications données au Paragraphe 8.3. Pour un cours d’eau dont la largeur est supérieure à


10 m, il faut utiliser 20 à 30 verticales. Réduire la distance entre les verticales aux parties de la section transversale comportant la plus grande partie de l’écoulement.

9. Les mesures commencent au bord de l’eau à la rive la plus proche. L’individu qui traverse (jaugeur) le cours d’eau communique la distance lue sur le mètre ruban au bord d’eau de départ au preneur de notes qui est à la rive.

10. Choisir la position de la première verticale. Suivre les indications données au Paragraphe 8.3.

11. Le jaugeur qui traverse le cours communique la distance lue sur le mètre ruban pour la première verticale de mesure (position de la verticale) au preneur de notes qui est à la rive.

12. Mesurer la profondeur de la verticale. Suivre les indications données au Paragraphe 8.5.

13. Choisir la méthode de mesure de vitesse le long de la verticale – en un point (0,6P) ou deux points (0,2P et 0,8P). Suivre les indications du Tableau 8–1.

14. Le preneur de notes ou le jaugeur calcule la ou les positions du moulinet.


15. Le jaugeur ajuste le moulinet sur la perche à la position souhaitée.

16. Commencer la mesure de vitesse. Garder la perche de jaugeage verticale pendant toute la mesure avec le moulinet parallèle à la direction de l’écoulement. Après la mise en place de l’hélice à la position souhaitée, permettre à l’hélice de s’ajuster à la vitesse de l’écoulement avant de démarrer le compteur des tours. Ceci peut prendre juste quelques secondes lorsque les vitesses sont supérieures à 0,3 m/s mais plus de temps lorsqu’elles sont plus faibles.


17. Le jaugeur démarre le compteur (commence le comptage du nombre de tours) pour au moins 40 s. Suivre les indications données au Paragraphe 9.5.


18. Le jaugeur indique le nombre de tours au preneur de notes.

19. Si c’est la méthode en deux points qui est utilisée, déplacer le moulinet à la seconde position sur la verticale (sur la perche de jaugeage) et répéter la procédure de mesure de vitesse.


20. Le preneur de notes écrit les informations recueillies sur la verticale à savoir la distance lue sur le mètre ruban, la profondeur et la vitesse sur la fiche de terrain.

21. Le jaugeur se déplace à la verticale de mesure suivante. À chaque verticale de mesure il est nécessaire de lire et de noter la distance sur le mètre ruban et la profondeur. Ensuite, on note la vitesse mesurée sur la verticale.

22. Répéter la procédure à chaque verticale jusqu’à atteindre le bord d’eau de fin sur la rive opposée.

9.2 Astuces et conseils

Position de l’opérateur (jaugeur) et du moulinet.

La position du jaugeur est importante pour s’assurer que son corps ne perturbe pas l’écoulement autour du moulinet. Essayer de se tenir debout et prendre les mesures en aval du mètre ruban. La meilleure position est celle où on fait face à l’une des deux berges, légèrement à l’aval du moulinet et à la distance de la main (du moulinet).

Maintenir la perche de jaugeage toujours verticale et le moulinet parallèle à la direction de l’écoulement pendant la prise de la vitesse. Toute déviation de la perche par rapport à la position verticale introduit une erreur sur la mesure de vitesse.

Amélioration de la section transversale de mesure

Lorsque cela s’avère nécessaire, il faut prendre le temps pour améliorer la section transversale de mesure en retirant les blocs et les débris de la section transversale de mesure et la zone immédiatement en amont de la section transversale. Retirer les mauvaises herbes sur une distance correspondant à environ trois fois la profondeur de la zone en amont et en aval. Sur des plus petits cours d’eau, il est possible de construire de petites digues pour éliminer les sections peu profondes et les eaux mortes.

Après les modifications, s’assurer de laisser suffisamment de temps pour stabiliser les conditions avant de continuer les mesures. Toutes les améliorations de la section doivent être terminées avant de commencer les mesures ; en d’autres termes, il ne faut pas changer la section (par exemple retirer des rochers) lorsque la mesure de débit est en cours.


9.3 Notes de terrain

Il est important de prendre des notes claires et détaillées avant, pendant et après les mesures. Les traitements futurs des mesures dépendent des notes complètes et systématiques. Pour chaque mesure de débit, les informations suivantes doivent être relevées :

Équipe (indiquer d’abord la personne qui conduit les opérations de mesure puis celle qui prend les notes)

Le nom du cours d’eau

L’emplacement de mesure de débit, coordonnées GPS

La distance en amont ou aval du limnimètre de référence (s’il y en a)

Les conditions météorologiques comprenant la vitesse du vent et sa direction (en amont ou en aval)

La date et l’heure de début du jaugeage et les niveaux sur les limnimètres, là où ça existe

Le modèle de moulinet et le numéro de série du corps du moulinet de même que celui de l’hélice

L’équation d’étalonnage du moulinet

Décrire à fond le chenal, la section transversale et les conditions de l’écoulement. Inclure les descriptions de :

Forme du chenal

Niveau de turbulence

Zone de marées et de remous

Présence de gros blocs, troncs d’arbres et autres obstacles influençant les mesures de profondeur et de vitesse de l’eau

Présence de toute structure pouvant influencer la vitesse de l’écoulement en amont ou en aval

Identifier les rives : rive gauche (RG) ou rive droite (RD) en regardant vers l’aval

Sur la fiche de jaugeage, pour chaque verticale de mesure, indiquer :

La position de la verticale (distance lue sur le mètre ruban)

La profondeur du cours d’eau sur la verticale

Le temps d’exposition pour la mesure de vitesse (durée pendant laquelle on compte les tours)

Le nombre de tours d’hélice à chaque point de mesure de vitesse sur la verticale

Avant de soumettre les notes pour contrôle, entrer le numéro de la mesure et les initiaux de la personne qui a dressé les notes.


10. Calcul du débit par la méthode des sections centrales

Après avoir fini la mesure de vitesse, il faut calculer le débit total de l’écoulement. Le premier calcul du débit devrait normalement être réalisé par l’équipe de jaugeage sur le site de mesure, sur le terrain. Pour calculer le débit, nous recommandons la méthode des sections centrales qui a été adoptée aux États-Unis d’Amérique et dans plusieurs autres pays comme la procédure normalisée de calcul de jaugeage au moulinet.

La méthode des sections centrales pour le calcul de débit suppose que la vitesse moyenne sur chaque verticale représente la vitesse moyenne dans chaque sous-section (panneau). La vitesse moyenne dans chaque section est déterminée par une des méthodes décrites au Chapitre 8.5. Pour chaque verticale, l’aire du panneau s’étend de la moitié de la distance à la verticale précédente à la moitié de la distance à la verticale suivante, et de la surface de l’eau à la profondeur sondée sur la verticale. Les aires des sous-sections sont matérialisées par les rectangles bleus à la Figure 10-1.

Lorsqu’on utilise la méthode des sections centrales, on calcule le débit séparément pour chaque sous-section et à la fin, on fait la somme des débits individuels de l’ensemble des sous-sections pour obtenir le débit total du cours d’eau (voir Paragraphe 6).

La Figure 10-1 montre schématiquement la section transversale d’un cours d’eau. La section transversale est définie par les verticales de mesure aux positions 1, 2, 3, 4, …, n. À chaque position, la profondeur est mesurée avec la perche de jaugeage et les vitesses sont mesurées par le moulinet pour obtenir la moyenne de la distribution de la vitesse sur la verticale. Le débit partiel est alors calculé pour chaque sous-section (panneau) de la manière suivante :

𝑞𝑖 = 𝑣𝑖 [(𝐿𝑖 − 𝐿𝑖−1)

2+

(𝐿𝑖+1 − 𝐿𝑖)

2] 𝑝𝑖 = 𝑣𝑖 [

(𝐿𝑖+1 − 𝐿𝑖−1)

2] 𝑝𝑖

(10.1)

avec qi débit partiel passant par la sous-section (panneau) i, vi vitesse moyenne sur la verticale i, Li distance du point initial à la verticale i, Li-1 distance du point initial à la verticale précédente, Li+1 distance du point initial à la verticale suivante, pi profondeur de l’eau à la verticale i.

La procédure est légèrement différente pour le premier et le dernier panneau dans la section transversale. La principale différence réside dans la détermination des largeurs. Puisque la sous-section de début (première) n’a pas de verticale précédente, la largeur devient la moitié de la distance du bord de départ à la première verticale. De même, la sous-section de fin (dernière) n’a pas de verticale suivante et la largeur devient la moitié de la distance de la dernière verticale au bord de fin. Pour le premier panneau (1) colorié en bleu sur la Figure 10-1, le débit est calculé comme ceci :

𝑞1 = 𝑣1 [𝐿2 − 𝐿1

2] 𝑝1

(10.2)

avec q1 débit passant par le panneau 1,

v1 vitesse moyenne sur la verticale 1, L1 distance sur le mètre ruban correspondant à la position de la verticale 1 (bord


d’eau de départ), L2 distance sur le mètre ruban correspondant à la position de la verticale 2, p1 profondeur de l’eau à la verticale 1 (bord d’eau de départ).

Pour le dernier panneau (n), on a :

𝑞𝑛 = 𝑣𝑛 [𝐿𝑛 − 𝐿(𝑛−1)

2] 𝑝𝑛

(10.3)

avec qn débit passant par le panneau n, vn vitesse moyenne sur la verticale n, L(n-1) distance sur le mètre ruban correspondant à la position de la verticale n-1, Ln distance sur le mètre ruban correspondant à la position de la verticale n, pn profondeur de l’eau à la verticale n (bord d’eau de fin).

10.1 Exemple de calcul

En se référant à la Figure 10-1, qui présente schématiquement la section transversale, et à l’exemple de calcul au Tableau 10–1, on a utilisé vingt-deux (22) verticales de mesure pour jauger un cours d’eau de 11,2 m de large. Deux verticales supplémentaires complètent la mesure : bord d’eau de départ (BED) et bord d’eau de fin (BEF).

Pour faire le jaugeage dans la section transversale, on a utilisé le micro-moulinet Seba M1 et l’hélice de diamètre 50 mm avec un pas hydraulique de 250 mm. L’équation d’étalonnage de cette hélice est:

𝑣 = 0,2473 ∙ 𝑛 + 0,0123 0,00 < 𝑛 < 1,74

(10.4)

𝑣 = 0,2568 ∙ 𝑛 − 0,0042 1,74 ≤ 𝑛 < 10,0

avec v vitesse au point de mesure en mètre par seconde (m/s), n nombre de tours d’hélice par seconde (1/s)

Pour calculer la valeur de n, il faut diviser le nombre de tours enregistré par le temps d’exposition c’est-à-dire la durée pendant laquelle le nombre de tours d’hélice a été compté. Dans l’exemple de mesure présenté (Tableau 10–1), le temps d’exposition utilisé est de 30 s.

Pour la majorité des verticales, on a utilisé la méthode en un point (0,6P) pour la mesure de la vitesse. La méthode en deux points (0,2P et 0,8P) a été utilisée sur quatre (4) verticales, qui ont des profondeurs proches de 1 m. Il faut remarquer que le débit dans chacune des sous-sections (panneau) est inférieur à 10% du débit total.

L’Équation 10.1 peut sembler compliquée mais la procédure de calcul est en fait simple. En se basant sur le Tableau 10–1, nous allons illustrer cette procédure pour le panneau n° 5 (mis en exergue sur la Figure 10-1).

À partir de l’Équation 10.1, le débit passant à travers le panneau n° 5 peut être calculé comme suit:

𝑞5 = 𝑣5 [𝐿6 − 𝐿4

2] 𝑝5

(10.5)


TABLEAU 10–1 EXEMPLE DE CALCUL D’UN JAUGEAGE AU MOULINET BASÉ SUR LA MÉTHODE DES SECTIONS CENTRALES

Numéro de

section

Distance à partir du point

de départ Largeur

Profondeur mesurée

Nbre tours 0,2P

Nbre tours 0,6P

Nbre tours 0,8P

Temps Vitesse

au point à 0,2P

Vitesse au point à 0,6P

Vitesse au point à 0,8P

Vitesse moyen-

ne Aire Débit

Débit de la

section

m m m

sec m/s m/s m/s m/s m2 m3/s %

BED 0,20 0,40 0,00

30

2 1,00 0,65 0,45

10

30

0,095

0,095 0,293 0,028 1,2

3 1,50 0,50 0,74

14

30

0,128

0,128 0,370 0,047 2,1

4 2,00 0,50 0,70

10

30

0,095

0,095 0,350 0,033 1,5

5 2,50 0,50 0,75

10

30

0,095

0,095 0,375 0,036 1,6

6 3,00 0,50 0,86

14

30

0,128

0,128 0,430 0,055 2,5

7 3,50 0,50 0,97 29

18 30 0,251

0,161 0,206 0,485 0,100 4,5

8 4,00 0,50 0,94 39

29 30 0,334

0,251 0,293 0,470 0,138 6,1

9 4,50 0,50 1,04 50

19 30 0,424

0,169 0,297 0,520 0,154 6,9

10 5,00 0,50 0,98 55

14 30 0,467

0,128 0,297 0,490 0,146 6,5

11 5,50 0,50 0,82

37

30

0,317

0,317 0,410 0,130 5,8

12 6,00 0,50 0,64

46

30

0,391

0,391 0,320 0,125 5,6

13 6,50 0,40 0,78

45

30

0,383

0,383 0,312 0,120 5,3

14 6,80 0,35 0,77

67

30

0,569

0,569 0,270 0,153 6,8

15 7,20 0,35 0,68

65

30

0,552

0,552 0,238 0,131 5,9

16 7,50 0,40 0,78

53

30

0,449

0,449 0,312 0,140 6,3

17 8,00 0,50 0,68

45

30

0,383

0,383 0,340 0,130 5,8

18 8,50 0,50 0,70

45

30

0,383

0,383 0,350 0,134 6,0

19 9,00 0,50 0,68

28

30

0,243

0,243 0,340 0,083 3,7

20 9,50 0,50 0,57

65

30

0,552

0,552 0,285 0,157 7,0

21 10,00 0,50 0,44

50

30

0,424

0,424 0,220 0,093 4,2

22 10,50 0,50 0,52

41

30

0,350

0,350 0,260 0,091 4,1

23 11,00 0,45 0,20

19

30

0,169

0,169 0,090 0,015 0,7

BEF 11,40 0,20 0,00

30

0,095

0,000

Total 11,20 0,298 7,529 2,240 100

avec q5 débit passant par le panneau n° 5,

v5 vitesse moyenne sur la verticale 5,

L4 distance sur le mètre ruban correspondant à la position de la verticale 4, L6 distance sur le mètre ruban correspondant à la position de la verticale 6, p5 profondeur de l’eau à la verticale 5.

La procédure de calcul étape par étape est présentée ci-dessous.

La largeur (l5) du panneau 5 est calculée comme suit :

𝑙5 = [𝐿6 − 𝐿4

2] = [

3,00 𝑚 − 2,00 𝑚

2] = 0,5 𝑚

(10.6)

avec l5 largeur du panneau n° 5

L4 distance sur le mètre ruban correspondant à la position de la verticale 4, L6 distance sur le mètre ruban correspondant à la position de la verticale 6.


Ensuite, puisque la profondeur mesurée au panneau n° 5 est de 0,75 m, l’aire du panneau n° 5 peut être calculée comme suit :

𝐴5 = [𝐿6 − 𝐿4

2] 𝑝5 = 𝑙5 ∙ 𝑝5 = 0,5 𝑚 ∙ 0,75 𝑚 = 0,375 𝑚2

(10.7)

avec A5 aire du panneau n° 5,

l5 largeur du panneau n° 5,

p5 profondeur de l’eau à la verticale 5, L4 distance sur le mètre ruban correspondant à la position de la verticale 4, L6 distance sur le mètre ruban correspondant à la position de la verticale 6.

Pour déterminer le débit passant dans le panneau n °5, on a besoin d’estimer la vitesse moyenne dans ce segment. La profondeur du cours d’eau à la verticale n °5 (0,75 m) est inférieure à 1 m et la méthode en un point a alors été utilisée pour déterminer la vitesse moyenne sur cette verticale. Le moulinet a été positionné à 0,6 fois la profondeur au-dessous de la surface (Figure 8-7). Avec un temps d’exposition du moulinet de 30 s, on a enregistré 10 tours d’hélice.

En conséquence, pour calculer le nombre de tours d’hélice par seconde (n) sur la verticale n° 5 (n5), on divise le nombre total de tours enregistré par le temps d’exposition du moulinet:

𝑛5 = [𝑅𝑒𝑣 06𝑃

𝑇] = [

10

30𝑠] = 0,330

1

𝑠

(10.8)

avec Rev 06.P nombre total de tours d’hélice enregistré à une profondeur de 0,6 fois la profondeur au-dessous de la surface pour un temps d’exposition donnée,

T temps d’exposition du moulinet.

À l’étape suivante, nous avons calculé la vitesse à 0,6 fois la profondeur sous l’eau en utilisant l’Équation 10.4. Puisque n5 vaut 0,330 1/s et que cette valeur est inférieure à 1,74, pour estimer la vitesse sur la verticale n °5, nous avons utilisé la première des deux équations d’étalonnage fournies par Seba M1:

𝑣 = 0,2473 ∙ 𝑛 + 0,0123 0,00 < 𝑛 < 1,74

(10.9)

𝑣5 = 0,2473 ∙ 0,330 + 0,0123 = 0,095 𝑚

𝑠

(10.10)

Finalement, nous calculons le débit partiel passant à travers ce panneau n °5 :

𝑞5 = 𝑣5 [𝐿6 − 𝐿4

2] 𝑝5 = 𝑣5 ∙ 𝐴5 = 0,095

𝑚

𝑠∙ 0,375 𝑚2 = 𝟎, 𝟎𝟑𝟔

𝒎𝟑

𝒔

(10.12)

avec q5 débit passant par le panneau n° 5

v5 vitesse moyenne sur la verticale 5,


L4 distance sur le mètre ruban correspondant à la position de la verticale 4, L6 distance sur le mètre ruban correspondant à la position de la verticale 6, p5 profondeur de l’eau à la verticale 5, A5 aire du panneau n° 5.

Le Tableau 10–1 révèle que le débit total s’écoulant à travers la section transversale est 2,24 m3/s. La part du débit passant dans le panneau n°5 en pourcentage est alors de 1,6% et a été calculée comme suit :

[𝑞5

𝑄] = [

0,036 𝑚3

𝑠

2,240 𝑚3

𝑠

] = 𝟏, 𝟔 %

(10.13)

avec q5 débit partiel dans le panneau n °5,

Q débit total dans la section transversale.

La même procédure est répétée pour calculer les débits partiels de tous les panneaux de 2 à 23.

Pour le premier et le dernier panneau de la section transversale de mesure, le débit est calculé selon les Équations 10.2 et 10.3. La première verticale au début de la section transversale dans notre exemple est considérée comme coïncidant avec le bord de départ de l’eau (BDE) et la dernière verticale à la fin de la section transversale est considérée comme coïncidant avec le bord de fin de l’eau (BDF). La largeur du panneau 1 est 0,4 m et la largeur du dernier panneau vaut 0,2 m.

𝑙1 = [𝐿2 − 𝐿1

2] = [

1𝑚 − 0,2 𝑚

2] = 0,4 𝑚

(10.14)

𝑙24 = [𝐿24 − 𝐿23

2] 𝑝1 = [

11,4 𝑚 − 11,0 𝑚

2] = 0,2 𝑚

(10.15)

Dans notre exemple, la profondeur à la première et à la dernière verticales est nulle ce qui fait que les débits (q1) et (q24) dans les panneaux correspondants sont donc nuls (0 m3/s).

Dans les canaux artificiels à parois latérales verticales, la vitesse et la profondeur à la première et à la dernière verticales peuvent être non nulles (suivre les instructions au Paragraphe 8.3).


FIGURE 10-1 SCHÉMA DE PRÉSENTATION DE LA MÉTHODE DES SECTIONS CENTRALES POUR LE CALCUL DE DÉBIT - EXPLICATION.

Explications Verticales de mesure 1,2,3,…,n-1, n Distance mesurée du point initial à la verticale L1,L2,L3,……………, L(n-1),Ln Profondeur de l’eau en mètre à la verticale de mesure p1,p2,p3,…………..,p(n-1),pn Vitesse moyenne sur la verticale V1,V2,V3,………….,V(n-1),Vn Frontières des sous-sections Lignes bleues


FIGURE 10-2 SCHÉMA DE RÉFÉRENCE CORRESPONDANT AU CALCUL DE DÉBIT DE L’EXEMPLE PRÉSENTÉ AU TABLEAU 10–1 (MÉTHODE DES SECTIONS CENTRALES)


Annexe 1 – Bref aperçu des méthodes de mesure de débit

Méthode Avantages Inconvénients Limitations

Jaugeage au flotteur Lorsqu’aucune des autres méthodes n’est envisageable ou pour une estimation rapide Incertitude : ±20%

Simple, facile à utiliser et moins cher. Peut être utilisé lorsque le jaugeage au moulinet n’est pas possible.

Moins précise que les autres méthodes L’estimation de la position du flotteur sur le cours d’eau peut être difficile

Une estimation de débit peut habituellement être faite en utilisant un flotteur pour tous les cours d’eau mais plutôt avec les plus faibles débits

Jaugeage par exploration du champ des vitesses – Jaugeage à gué au moulinet hydrométrique Sondage de faibles débits Incertitude : ±10%

Simple, peut être mise en œuvre par une seule personne, moins cher.

Uniquement pour cours d’eau peu profonds Faibles débits Profondeur < 1,2 m 0,03 m/s < V < 1,2 m/s

Jaugeage par exploration du champ des vitesses – Vélocimètres acoustiques à effet Doppler (ADV) Sondage de faibles débits Incertitude : ±10%

Très grande précision sur la vitesse basée sur un procédé de vibration (effet Doppler). Capable de donner de bons résultats dans les cours d’eau exceptionnellement peu profonds et à faible vitesse

Uniquement pour cours d’eau peu profonds. Ne convient pas aux cours d’eau avec peu de sédiments. A besoin de calibration tous les trois ans. Considérablement plus cher que les moulinets standards.

Faibles débits Profondeur < 1,2 m 0,03 m/s < V < 1,2 m/s

ADCP sur bateau fixe (ancré) ou mobile Toute la gamme des cours d’eau moyens ou grands Incertitude : ±10%

Devient de plus en plus populaire. Fiable et précis. Jaugeage très rapide même sur de larges sections transversales de cours d’eau Parfaitement adaptée pour les cours d’eau moyens ou grands

Équipement cher et technologie avancée. Nécessite un opérateur relativement hautement qualifié. Sensible à la calibration. Les réparations importantes sont faites par le fournisseur. Ne convient pas aux cours d’eau avec peu de sédiments. Ne peut pas être utilisée à partir d’un bateau à 4 m/s pour des raisons de sécurité.

Profondeur > 0,6 m V < 4 m/s La vitesse limite supérieure est basée sur des considérations relevant de la sécurité et non pas liées aux limites techniques

Jaugeage par dilution Cours d’eau relativement petits, à forte pente avec un écoulement turbulent Incertitude : ±10%

La méthode est recommandée uniquement pour les sites où les méthodes classiques ne peuvent pas être utilisées à cause de faibles profondeurs, très grandes vitesses ou fortes turbulences

La précision de la méthode dépend fortement du mélange complet de la solution injectée avant le site de prélèvement.

Quantité de traceur à utiliser

Déversoir ou canal jaugeur Petits cours d’eau et ruisseaux Incertitude : ±5%

Hautement précise. Requiert peu de vérification par un courantomètre lorsqu’on est dans les conditions d’utilisation de ce dernier. Peut fournir une maitrise/gestion très sensible et stable.

Coût d’investissement élevé. Convient uniquement aux petits cours d’eau.

Plage de débits limitée et dépendant du niveau de contrôle

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MANUEL DES OPÉRATIONS JAUGEAGE A GUÉ AU … · Jaugeage par dilution Toute méthode de détermination du débit dans laquelle le débit est déduit de la détermination du rapport